Вчені відкрили метод надзарядки «двигуна» сталого виробництва палива – трохи видозмінивши матеріали. Дослідники під керівництвом Кембриджського університету розробляють недорогі світлозбираючі напівпровідники, які живлять пристрої для перетворення води на чисте водневе паливо, використовуючи лише енергію сонця. Ці напівпровідникові матеріали, відомі як оксиди міді, є дешевими, поширеними та нетоксичними, але за своїми характеристиками не наближаються до кремнію, який домінує на ринку напівпровідників.
Однак дослідники виявили, що, вирощуючи кристали оксиду міді в певній орієнтації, щоб електричні заряди рухалися через кристали по діагоналі, заряди рухалися набагато швидше та далі, що значно покращувало продуктивність. Випробування фотокатода з оксиду міді, заснованого на цій техніці виготовлення, показали покращення на 70% порівняно з існуючими найсучаснішими фотокатодами з оксиду міді, а також показали значно покращену стабільність.
Дослідники кажуть, що їхні результати, опубліковані в журналі Nature, показують, як недорогі матеріали можуть бути налаштовані для переходу від викопного палива до чистого, стійкого палива, яке можна зберігати та використовувати в існуючій енергетичній інфраструктурі.
Проблеми та потенціал оксиду міді
Оксид міді (I) або оксид міді протягом багатьох років рекламувався як дешева потенційна заміна кремнію, оскільки він достатньо ефективний для захоплення сонячного світла та перетворення його в електричний заряд. Однак велика частина цього заряду має тенденцію втрачатися, обмежуючи продуктивність матеріалу.
«Як і інші оксидні напівпровідники, оксид міді має свої внутрішні проблеми», — сказав один із авторів, д-р Linfeng Pan з кафедри хімічної інженерії та біотехнології Кембриджа. «Однією з цих проблем є невідповідність між тим, наскільки глибоко поглинається світло, і як далеко заряди переміщуються всередині матеріалу, тому більша частина оксиду під верхнім шаром матеріалу є фактично мертвим простором».
«Для більшості матеріалів для сонячних елементів саме дефекти на поверхні матеріалу спричиняють зниження продуктивності, але з цими оксидними матеріалами все навпаки: поверхня в основному хороша, але дещо в об’ємі призводить до втрат», сказав професор Сем Стренкс, який керував дослідженням. «Це означає, що спосіб вирощування кристалів є життєво важливим для їх продуктивності».
Щоб розробити оксиди міді до такої міри, щоб вони могли стати надійною конкуренцією з відомими фотоелектричними матеріалами, їх потрібно оптимізувати, щоб вони могли ефективно генерувати та переміщувати електричні заряди – що складаються з електрона та позитивно зарядженої електронної «дірки» – під сонячним світлом. б’є їх.
Вплив і майбутні напрямки
Одним з потенційних підходів до оптимізації є монокристалічні тонкі плівки – дуже тонкі шматочки матеріалу з високовпорядкованою кристалічною структурою, які часто використовуються в електроніці. Однак створення цих фільмів зазвичай є складним і тривалим процесом.
Використовуючи методи осадження тонких плівок, дослідники змогли виростити високоякісні плівки оксиду міді за тиску навколишнього середовища та кімнатної температури. Завдяки точному контролю росту та швидкості потоку в камері вони змогли «зрушити» кристали в певну орієнтацію. Потім, використовуючи спектроскопічні методи високої тимчасової роздільної здатності, вони змогли спостерігати, як орієнтація кристалів впливає на те, наскільки ефективно електричні заряди рухаються крізь матеріал.
«Ці кристали в основному є кубами, і ми виявили, що коли електрони рухаються крізь куб по діагоналі тіла, а не вздовж грані або краю куба, вони рухаються на порядок далі», — сказав Пан. «Чим далі рухаються електрони, тим краща продуктивність».
«Щось у цьому діагональному напрямку в цих матеріалах є магією», — сказав Стренкс. «Нам потрібно провести подальшу роботу, щоб повністю зрозуміти, чому, і оптимізувати її далі, але наразі це призвело до величезного стрибка продуктивності». Випробування фотокатода з оксиду міді, виготовленого за цією технологією, показали підвищення ефективності більш ніж на 70% порівняно з існуючими сучасними фотокатодами з електроосадженого оксиду.
«На додаток до покращеної продуктивності, ми виявили, що орієнтація робить плівки набагато стабільнішими, але можуть впливати фактори, окрім об’ємних властивостей», — сказав Пан.
Дослідники кажуть, що все ще потрібні ще багато досліджень і розробок, але це та споріднені сімейства матеріалів можуть зіграти життєво важливу роль у переході енергії.
«Попереду ще довгий шлях, але ми на захоплюючій траєкторії», — сказав Стренкс. «З цих матеріалів можна отримати багато цікавих наукових досліджень, і мені цікаво пов’язати фізику цих матеріалів з їхнім ростом, тим, як вони формуються, і, зрештою, як вони працюють».